基于GSM-R的GPRS網絡接口監測技術研究

孫啟民（北京全路通信信號研究設計院有限公司，北京 100073）

1 概述

為滿足我國鐵路數字業務中列尾信息、無線車次號及調度命令等的傳送需求，特在GSM-R網絡的基礎上引入GPRS網絡。GPRS網絡是在現有的GSM-R網絡基礎上疊加了一個新的網絡，充分利用現有的移動通信網設備，通過增加相應的功能實體并對現有的基站系統進行部分改造和軟件升級，形成一個新的網絡邏輯實體來實現分組交換。GPRS突破了GSM-R網絡只能提供電路交換的模式，用戶使用GPRS業務將具有建立時間短、數據傳輸速率高、支持X.25和IP協議、永遠在線、提供資源的優化等優勢。

GPRS的引入可以更好地利用無線資源，避免電路交換業務數量急劇增加而引起網絡擁塞。因此為了保證GPRS網絡穩定運行，確保業務信息傳送的質量，需要對GPRS網絡的重要接口進行監測，通過匯總分析接口監測系統采集的數據，為GPRS網絡的維護及優化提供重要依據。

2 基于GSM-R的GPRS網絡結構

2.1 GSM-R模式下的GPRS網絡結構及接口分布

GSM-R模式下的GPRS網絡由支持GPRS模式的無線終端（M S）、附加了PCU且支持GPRS編碼的基站子系統（BSS）、服務GPRS支持節點（SGSN）、網關GPRS支持節點（GGSN）、域名服務器（DNS）、認證服務器（RADIUS）、GPRS接口服務器（GRIS）及GPRS歸屬服務器（GROS）等設備組成，另外包括支持G r接口的H LR服務器。GPRS網絡結構及接口分布示意如圖1所示。

2.2 GPRS網絡接口功能

GSM-R模式下的GPRS網絡主要包括Um、Gb、Gn、Gp、 Gr和Gi接口，各接口功能如下。

1）Um：是GPRS M S與GPRS網絡側的空中接口，通過該接口，M S完成與網絡側的通信，完成分組數據傳送、移動性管理、會話管理、無線資

孫啟民，男，畢業于東北師范大學，工程師。主要研究方向包括GSM-R/GPRS網絡接口監測技術、鐵路通信機房動力環境監控技術、GSM-R網絡優化和測試技術及產品系統架構設計，曾參與滬寧、滬杭、京滬、哈大及合蚌客專的接口監測集成、GSM-R中繼傳輸設備統一網管標準的編制、GSM-R接口監測系統及動力環境集中監控系統的設計開發等，擁有一項發明專利。源管理等多方面的功能；

2）Gb：是SGSN和PCU之間的接口，通過該接口SGSN完成同BSS系統、M S之間的通信，完成分組數據傳送、移動性管理、會話管理方面的功能；

3）Gn/Gp：Gn接口是同一個PLM N內部SGSN間、SGSN和GGSN間接口。Gp接口是GPRS網間接口，是不同PLMN網的GSN之間采用的接口， GTP是GPRS骨干網中GSN節點之間的接口協議（Gn/Gp接口的核心協議）；

4）G r：是SGSN與H LR之間接口，G r接口采用7號信令上承載M A P協議的方式。SGSN通過G r接口從H LR取得關于M S的數據，H LR保存GPRS用戶數據和路由信息，當發生SGSN間的路由區更新時，SGSN將會更新HLR中相應的位置信息；當HLR中數據有變動時，也將通知SGSN；

5）G i：是GGSN與外部分組數據網（IP網）間的接口,根據所互通的數據網不同而采用相應的協議。如果外部網是PSP-DN（分組交換公用數據網），則支持x.25協議；如果是In ternet，則支持IP協議。在Gi接口上需要進行協議的封裝/解封裝、地址轉換（如私有網IP地址轉換為公有網IP地址）、用戶接入時的鑒權和認證等操作。

3 GPRS網絡接口監測系統設計

3.1 系統架構設計

為實現對GPRS網絡各接口的監測及數據的匯總分析，GPRS網絡接口監測系統劃分為Gb接口監測子系統、Gn/Gp接口監測子系統、G i接口監測子系統、G r接口監測子系統、綜合分析子系統、網管子系統和數據存儲子系統。鑒于GPRS網絡和GSM-R網絡的其他子系統共用Um接口，且Um接口具有物理位置分散、編碼方案多變并涉及到網絡安全等因素，GPRS接口監測子系統暫未包括對Um接口的監測。

考慮到系統的RAM需求，GPRS網絡接口監測系統分為采集層、數據處理層和分析顯示層，具體架構如圖2所示。

采集層由各Gb接口采集單元、Gi接口采集單元、Gn/Gp接口采集單元、G r接口采集單元組成。其中Gb接口采集單元和G r接口采集單元以高阻跨接的方式進行采集，Gi接口采集單元和Gn/Gp接口采集單元以端口鏡像方式結合PCAP技術進行采集。

數據處理層由Gb接口處理服務器、G i接口處理服務器、Gn/Gp接口處理服務器、G r接口處理服務器、網管服務器、數據庫服務器及同步服務器組成。Gn/Gp接口處理服務器根據業務量可獨立或者合并設置。

分析顯示層由綜合分析單元、Gb/Gi接口操作顯示終端、Gn/Gp接口操作顯示終端和網管客戶端組成。綜合分析單元及網管客戶端同既有的C3接口監測系統合并設置。

3.2 系統功能設計

GPRS接口監測系統主要實現數據的采集并進行匯總分析，具體功能如下。

1）數據采集：可采集Gb、Gi、Gn/Gp及G r接口的信令及業務數據。Gb和G r接口通過2 M鏈路進行連接，采集這兩個接口的數據時需要采用高阻跨接方式；Gn、Gp和Gi接口通過以太網方式進行連接，采集數據時需要在交換機進行端口鏡像，將數據鏡像到指定端口后通過PCAP技術抓取網絡數據包；

2）數據解析：各接口處理服務器按照指定協議結構對采集的數據進行解析；

3）用戶跟蹤：能夠根據IMSI、MSISDN或IP地址跟蹤同一用戶的信息，Gb、Gn/Gp及Gi接口可實現同一用戶數據的跟蹤比對；

4）異常識別：負責識別網絡異常及業務異常，網絡異常包括附著失敗、PDP激活失敗等，業務異常包括調度命令發送失敗、進路預告發送失敗等；

5）吞吐量監測：G i接口處理服務器負責統計GPRS網絡的數據吞吐量；

6）數據存儲：負責存儲解析關聯后的信令及業務數據，以及識別的網絡異常和業務異常等信息；

7）實時監測：Gb接口操作顯示終端及Gn/Gp接口操作顯示終端負責實現單個用戶或全部用戶的實時監測，綜合分析單元負責實現同一機車的M T和CIR信息的關聯監測；

8）數據查詢：可查詢Gb接口的通信記錄及網絡事件、各接口的信令及業務數據、各接口的異常信息和Gi接口的吞吐量信息等；

9）統計分析：可統計各接口的異常信息、業務指標信息（進路預告及調度命令的成功率等）、Gi接口的吞吐量分布統計（峰值吞吐量及平均吞吐量各級別分布情況），同時綜合分析單元可匯總分析同一機車的MT和CIR的異常信息；

10）數據配置：網管客戶端可實現用戶信息、基站信息及采集鏈路等的配置；

11）告警監測及告警查詢：網管服務器監測系統內各模塊的告警信息并將告警信息上傳到客戶端顯示，網管客戶端可按指定條件查詢已發生的歷史告警信息；

12）性能數據采集及趨勢分析：網管服務器可采集系統內各服務器的性能指標（包括CPU及內存利用率、磁盤占用率等）并存儲，網管客戶端可按指定條件查詢已采集的性能指標，并可生成性能指標的趨勢分析圖，以便發現系統存在的性能隱患；

13）時間同步：該系統內部設有獨立的時間同步服務器，系統內所有設備都從該服務器獲取統一的時間信息；在具有外部時間源的環境下，時間同步服務器會定期從外部時間源獲取時間信息。

4 關鍵技術實現

4.1 端口鏡像采集技術

端口鏡像是指將設備指定端口的報文復制到目的端口。常用的端口鏡像技術包括本地端口鏡像和遠程端口鏡像，本地端口鏡像是指將設備的一個或多個端口（源端口）的報文復制到本設備的一個監視端口（目的端口），遠程端口鏡像是指將設備的一個或多個端口的報文復制并通過中間網絡設備轉發到指定目的交換機上的目的端口。

根據GPRS網絡配置的SGSN和GGSN數量，并結合網絡安全的要求，本系統可靈活的采用本地端口鏡像或者遠程端口鏡像技術將待監測端口鏡像到指定的目的端口，目的端口通過網線與采集服務器的某一網口相連，采集服務器的采集軟件再利用PCAP技術從指定的網口獲取網絡數據包。目前本系統的Gn/Gp及Gi接口的采集服務器均采用通用的IBM服務器，服務器集成了4個1 Gb網口，除去一個內部通信端口，另外3個端口可作為采集端口，具體的端口分布如圖3所示。

通過端口鏡像技術可獲取SGSN和同一PLMN內的SGSN、GGSN以及SGSN和其他PLMN下的SGSN通信數據，另外可獲取GGSN和外部應用網絡的通信數據。

4.2 數據解析技術

和GSM-R的電路域傳輸特性相比，GPRS體現了分組交換和分組傳輸的特點，即數據和信令基于統一的傳輸平面，這一特性大大方便了數據的采集和解析。在進行電路域監測時，需要對信令時隙和業務時隙分別采集解析，而分組域可將信令和業務數據統一采集，且各接口處理服務器接收數據后調用亦無需進行區分而調用各自的解析模塊進行統一解析處理。

數據解析是該系統最根本也是最核心的技術，是用戶跟蹤、異常識別等后續處理的基礎。各接口處理服務器按照相應的協議進行數據解析，以Gb接口為例，其協議棧模型如圖4所示，其中物理層由采集器處理，在此圖未體現。

Gb接口標準協議分為FR層、NS層、BSSGP層，但為了幫助用戶更好的分析及定位網絡問題，本系統同時分析了LLC層、GMM/SM層、SNDCP層及業務數據層。Gb接口的數據傳輸采用幀中繼方式，幀中繼的數據幀格式如表1所示，Gb接口處理服務器從信息位提取出用戶數據，之后逐層解析。在解析應用層數據時，當一幀數據被拆分到多個數據包時需要進行幀的拼接。

表1 Gb接口幀中繼格式

4.3 用戶跟蹤技術

數據解析完成后只有進行有效的關聯跟蹤才能發揮更大的價值。關聯跟蹤主要是同一用戶數據的跟蹤，包括同一接口內的數據關聯及不同接口間同一用戶數據的跟蹤比對。

1）同一接口內的數據關聯：Gb接口和Gn/Gp接口以監測到的用戶會話管理信息為依據進行數據關聯。以Gb接口為例，當Gb接口處理服務器解析獲取上下文激活信息后，即定義一次新的會話，同時開始對監測用戶在該會話內的信息進行關聯。Gb接口關聯的關鍵字段為TLL I（臨時邏輯鏈路標識，在一個路由區內唯一）及路由區標識，具體關聯流程如圖5所示。

2）不同接口間的數據跟蹤比對：該技術是定位網絡故障的最佳手段，也是精確定位故障的根本，實現數據跟蹤比對的前提是系統內部的時間同步。綜合分析單元根據IMSI、MSISDN、IP地址結合時間信息實現了Gb、Gn及G i接口三接口的信令及數據流程關聯、三接口業務指標統計及三接口異常統計功能。

三接口信令及數據的關聯流程圖可一目了然的發現某一接口數據缺失或異常情況，可直觀的還原通信流程，為故障分析提供重要依據。

業務指標統計和異常統計可統計出選定用戶的三接口各業務指標發送的總次數、發送失敗次數、發送成功率及異常次數，對比三接口的統計結果可定位故障發生的位置。

4.4 監測分析結果與GIS信息集成技術

系統集成了基于GPS的地理位置信息，利用從業務數據提取的經緯度信息，將地理位置信息和監測分析結果關聯，在電子地圖上實時顯示列車位置、機車通信狀態及異常分布情況，顯示效果如圖6所示。

5 結束語

GPRS網絡接口監測技術是鐵路數字通信業務質量的保證，該技術目前僅處于起步階段，系統的功能、監測指標等都還不夠完善，且該系統目前未形成統一的技術規范，這些都需要鐵路通信工作者的不斷努力才能實現對GPRS網絡更全面的監測。

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